CN108979803A - 液体与气体混合的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了液体与气体混合的方法和装置，方法为将具有多个气流孔的类锥形混合器布置于通有气体的气体流道内，使得混合器的内部混合腔产生负压，且其中一部分气体流入混合腔内之后在混合腔表面形成气膜，将雾化液体喷入混合腔中与未形成气膜的气体完成气化混合，避免雾化液体在气化与混合之前与任何固体表面接触；装置包括：混合器，其为类锥形结构且内部为中空的混合腔，所述混合器固定于气体流道内且混合器的开口朝向气体的流动方向，所述混合器上具有多个贯通的气流孔；液体雾化喷嘴，其位于混合腔内。本发明可避免雾化之后的液体在气化之前与任何固体接触，同时与气体流道排气充分混合并均匀分布在流道截面。

Description

液体与气体混合的方法及装置

技术领域

本发明涉及液气混合技术领域。更具体地说，本发明涉及液体与气体混合的方法及装置，具体为内燃机尾气净化后处理系统的添加剂与发动机废气的混合方法及装置。

背景技术

目前用于柴油机降氮氧化物的SCR后处理系统需要将液态或者气态反应剂，比如尿素水溶液或者氨气喷入发动机排气管或者后处理封装内与发动机废气充分混合。尤其是尿素水溶液，需要在喷入时较好地雾化，以便尿素尽快气化，分解成氨气，在SCR的催化作用下，氨与NOx产生反应生成氮气(N₂)和水(H₂O)，以达到减少NOx排放的效果。

当前设计的混合装置都是由各种形式的固体叶片组成用于对气流进行整流，让流体按人们所需要的方式流动，以达到让尿素与发动机废气混合的效果。这种布置经常会有一个问题：雾化后的尿素水溶液在没有完全气化之前，由直径大小不一的液滴(雾)构成。这些液滴在碰到任何固体表面，都会出现凝聚，在固体表面形成直径较大的液珠或者湿润在固体表面形成液膜。一旦出现这种现象，反应剂气化以及分解的过程就会大大延长，甚至久而久之会在混合器上形成永久性的残留，最终导致塑化、积累(即结晶)。

事实上，如今的SCR消音器内部由于尿素残留而导致的结晶现象是极为普遍的。除了尿素喷射过量等诸多因素以外，尿素直接接触到固体表面，比如混合器、排气管壁或者催化剂封装管壁等，为最主要的原因。

发明内容

本发明的一个目的是提供液体与气体混合的方法及装置，避免雾化之后的液体在气化之前与任何固体接触，同时与气体流道排气充分混合并均匀分布在流道截面。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了液体与气体混合的方法，将具有多个气流孔的类锥形混合器布置于通有气体的气体流道内，使得混合器的内部混合腔产生负压，且其中一部分气体流入混合腔内之后在混合腔表面形成气膜，将雾化液体喷入混合腔中与未形成气膜的气体完成气化混合。

优选的是，所述混合器表面安装有多个旋流叶片，以使气体旋转进入混合腔内。

本发明还提供液体与气体混合的装置，包括：混合器，其为类锥形结构且内部为中空的混合腔，所述混合器固定于气体流道内且混合器的开口朝向气体的流动方向，所述混合器上具有多个贯通的气流孔；液体雾化喷嘴，其位于混合腔内。

优选的是，所述混合器表面还设置有多个旋流叶片。

优选的是，所述液体雾化喷嘴靠近混合器的锥顶位置。

优选的是，所述混合器由整板拉伸、冲压、打孔制成。

优选的是，所述混合器由多块板块连接而成或由多节锥形环连接而成。

优选的是，所述混合器位于SCR催化剂的上游，所述气体流道内在混合器开口位置或下游设置有均配器。

优选的是，所述液体雾化喷嘴通过喷管连通位于混合腔内，所述喷管外壁环形一圈设置有向内凹陷的多个卡合槽，所述气体流道上设置有恰好容纳喷管通过的开口，所述混合器在开口的正上方位置设置有喷管可通过的通孔，所述通孔的直径大于开口的直径，且所述通孔和开口之间设置有辅助机构，其包括：密封块，其为环形且固定于气体流道内壁的开口处并恰好容纳喷管密封通过；定位件，其为上下均开口的类锥形管，且上开口恰好与通孔一体成型连接、下开口向下向外延伸；限位件，其为圆柱形管且竖直固定于气体流道内壁并位于密封件外侧，所述限位件上端凸出于所述定位件下开口上方且限位件的中心轴线与通孔和开口的中心轴线均重合；环形板，其内壁环形一圈向内凹陷间隔设置至少三个凹槽，所述凹槽内设置有弹簧，弹簧外端连接有卡合块，所述卡合块为直角三棱柱形状，其水平设置配合于凹槽内使得斜边所在的侧面远离凹槽向上倾斜；多块弧形板，其依次通过弹性带连接成一环形，所述环形板的外壁环形一圈间隔设置有多个弹性体，其与多块弧形板一一对应，所述弹性体的外端连接于所述弧形板的中部，多块弧形板形成的环形水平卡合于所述限位件内。

优选的是，所述弹性体与所述弧形板连接方式为铰接，所述限位件内壁设置有多个竖直的滑道，多块弧形板一一对应于多个滑道内并可沿滑道向上滑动。

本发明至少包括以下有益效果：

1、本发明避免了尿素在现有各种混合器的固体表面凝固的问题，同时又避免了尿素溶液在气化之前接触排气管壁；这样就可以显著地减少排气管内尿素结晶的可能性，同时提高了后处理系统降氮氧化物效果。

2、本发明利用一个多孔的空心椎体结构在椎体内腔(混合腔)形成负压，通过适当设计气流穿过椎体混合器进入该混合腔的流动形式，在该混合腔内形成这样一个流场，避免尿素反应剂喷入该混合腔之后在完全气化之前与任何固体接触，从而能够提升反应剂气化与分解速度。

3、本发明的混合装置的另一个特征是还可以使得上述反应剂在气化之后与发动机排气均匀混合并且在排气流道截面上均匀分布，这样可以有效减少反应剂在排气流道内结晶，提升SCR转化效率。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明混合装置的结构示意图；

图2为本发明配置有旋流叶片的混合装置结构示意图；

图3为本发明旋流气体进入混合器的截面示意图；

图4为本发明配置有均配器的混合装置结构示意图；

图5为本发明混合器包含的多片板状材料拼凑展开的结构示意图；

图6为本发明辅助机构的结构示意图；

图7为本发明辅助机构中环形板和弧形板配合的俯视图。

附图标记说明：

100、混合器，200、气体流道，300、SCR催化剂，400、雾化喷嘴，500、混合腔，600、旋流叶片，700、气流孔，800、均配器，1、通孔，2、开口，3、密封块，4、定位件，5、限位件，6、环形板，7、凹槽，8、卡合块，9、弧形板，10、弹性体，11、弹性带。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明的具体实施方案是以发动机排气与尿素添加剂溶液的混合方法及装置为例进行说明，但实际上并不限于尿素添加剂与发动机排气的混合。

另外本文中虽然使用尿素或尿素溶液为例来说明计量系统的功能，但是本发明适用于任何其他流体尿素。

本文中所述混合器虽然以圆形流道和圆形椎体为样板，但是本项发明适用于任何形状的流道。在实际应用中，经常有些流道(烟道)是长方形、矩形、椭圆形或者其各种形状，本项发明仍然适用。只要是混合器采用锥形体或其它任何形状形成负压并利用气膜来避免或者减少添加剂与固体表面接触机会的混合器都属于本项发明申请保护范围。

本发明提供一种液体与气体混合的方法，将一个多孔的类锥形混合器100布置于通有气体的气体流道200内，使得混合器100的内部混合腔500产生负压，且其中一部分气体流入混合腔500内之后在混合腔500表面形成气膜，将雾化液体喷入混合腔500中于未形成气膜的气体完成气化混合，避免雾化液体在气化与混合之前与任何固体表面接触。所述混合器100表面安装有多个旋流叶片600，以使气体旋转进入混合腔500内。

如图1至5所示，本发明还提供一种液体与气体混合的装置，包括：混合器100，其为类锥形结构且内部为中空的混合腔500，所述混合器100固定于气体流道200内且混合器100的开口朝向气体的流动方向，所述混合器100上具有多个贯通的气流孔700；液体雾化尿素喷嘴400，其位于混合腔500内。所述液体雾化尿素喷嘴400靠近混合器100的锥顶位置。

如图1所示，混合器100主要由一个多孔的锥体构成，布置在发动机排气(封装)流道200内，SCR催化剂300上游，对发动机排气提前进行导向，形成一个我们所需要的流场，这个流场可以使得尿素喷入该混合器100后在完全气化之前被气流“裹”在混合器100内部流动，避免与任何固体表面接触，以达到促进尿素溶液在最短时间内气化的目的。尿素喷嘴400穿过混合器100将尿素喷射入混合器内腔，即混合腔500，尿素喷嘴400的出口布置在椎体混合器100的内腔，即混合腔500靠近椎顶位置。

当发动机排气从左边向右边流动时，由于椎体混合器100的导流作用，混合腔500形成负压，驱使排气流道200内的发动机排气经椎体混合器100表面的孔不断流入混合腔500。如果混合器100的椎体形状以及混合器100上设置的气流孔700的分布与朝向设计适当，气流在进入混合腔500后，可以使得进入混合腔500的气流一部分不断在混合腔500表面形成气膜，一部分参与尿素的混合，气流孔700设置的方式类似航空发动机燃烧室衬垫的设置方式，其根据实际情况千变万化，只要能达到形成气膜的目的即可。

尿素在喷入混合腔500之后，迅速与从各个方向流进来的气体混合，同时在气膜的保护下避免与混合器100内壁接触，这样，被尿素喷嘴400雾化后的尿素液滴在气流的包裹之下完成气化(脱水)过程，随后分解成氨气。

随着尿素气化完成，尿素分子与气流也完成充分的混合，在流向下游SCR催化剂300的过程中，在气流流场作用下逐步向径向扩散，最终与发动机排气实现充分混合并在流道200截面均匀分布，以一个十分理想的状态下进入SCR催化剂300。

在另一种技术方案中，为了促进混合器100的混合与均配效果，在混合器100椎体外表面或者内表面布置一些旋流叶片600，使得气流旋转，如图3所示，旋流叶片600的设置方式与一般的风扇扇叶设置方式类似。这样气流在进入混合腔500之后在流向下游的SCR催化剂300时，不断旋转，有助于尿素分子或者已经分解所产生的氨分子与气流的均匀混合和截面的均匀分布，从而能够增加混合效果。

在另一种技术方案中，混合器100椎体可以是一个完整的椎体由一块整板冲压拉伸成形或者铸造成形，可以由多节锥形环连接而成，也可以由多片板状材料拼凑而成(如图5所示)。椎体上的通气孔700的大小、分布与朝向根据所要达到的混合腔500内的流场效果需要来设计制造。

在另一种技术方案中，为了进一步促进尿素或者氨与发动机排气的混合气流在SCR催化剂300前流道截面的均匀分布，必要时可以在上述混合器100的出口处布置一个均配器800，如图5所示。该均配器800可以与混合器100连接为一体，形成一个完整的混合器，也可以独立布置在混合器100下游。

在另一种技术方案中，如图6和图7所示，所述液体雾化喷嘴400通过喷管连通位于混合腔500内，所述喷管外壁环形一圈设置有向内凹陷的多个卡合槽，所述气体流道200上设置有恰好容纳喷管通过的开口2，所述混合器100在开口2的正上方位置设置有喷管可通过的通孔1，所述通孔1的直径大于开口2的直径，且所述通孔1和开口2之间设置有辅助机构，其包括：密封块3，其为环形且固定于气体流道200内壁的开口2处并恰好容纳喷管密封通过；定位件4，其为上下均开口2的类锥形管，且上开口2恰好与通孔1一体成型连接、下开口2向下向外延伸；限位件5，其为圆柱形管且竖直固定于气体流道200内壁并位于密封件外侧，所述限位件5上端凸出于所述定位件4下开口2上方且限位件5的中心轴线与通孔1和开口2的中心轴线均重合；环形板6，其内壁环形一圈向内凹陷间隔设置至少三个凹槽7，所述凹槽7内设置有弹簧，弹簧外端连接有卡合块8，所述卡合块8为直角三棱柱形状，其水平设置配合于凹槽7内使得斜边所在的侧面远离凹槽7向上倾斜；多块弧形板9，其依次通过弹性带11连接成一环形，所述环形板6的外壁环形一圈间隔设置有多个弹性体10，其与多块弧形板9一一对应，所述弹性体10的外端连接于所述弧形板9的中部，多块弧形板9形成的环形水平卡合于所述限位件5内。

在上述技术方案中，液体雾化喷嘴400是通过喷管连通，然后穿过气体流道200再穿过混合器100位于混合腔500内，通过本发明的辅助机构可实现气流也通过混合器100上的通孔1向上流动，可使得混合腔500内的气体进一步旋转，也可使得尿素气化前不与喷管的外壁接触。初始状态时，混合器100固定于气体流道200内，此时通孔1与开口2恰好对应且轴线重合，环形板6中心孔与开口2正对且直径相同，环形板6上的弹性体10处于压缩状态将多块弧形板9均匀顶于限位件5的内壁上，此时凹槽7内的弹簧恰好将卡合块8弹出于凹槽7外。将喷管从开口2处向上推动，由于密封块3的作用，喷管与气体流道200之间为密封状态，继续向上推动的过程中，由于卡合块8的阻挡作用结合推动力的作用，卡合块8会向凹槽7内缩进将弹簧压缩，再继续向上推动，直至喷管的卡合槽一一对应于凹槽7时，卡合块8可恰好卡合于卡合槽中，继续再向上推动，喷管带动环形板6和弧形板9沿着限位件5内壁向上一起移动，移动到脱离限位件5时，由于定位件4内部较限位件5内部大，弧形板9在弹性体10的弹力作用下向外弹出，再结合弹性带11的作用，可使得多块弧形板9稳定顶于定位件4内壁，此时雾化喷嘴400位于混合腔500内。通过密封块3和弧形板9的定位可使得喷管竖直稳定，定位件4以及限位件5的直径大小不一、同时弹性体10之间的空隙以及通孔1直径大于喷管直径，可使得气流竖直向上顺利进入混合腔500内。弹性体10设置为始终保持压缩状态且只可发生沿环形板6径向方向伸缩。

在另一种技术方案中，所述弹性体10与所述弧形板9连接方式为铰接，铰接的设置方式可使得弧形板9与定位件4内壁更好地贴合；所述限位件5内壁设置有多个竖直的滑道，多块弧形板9一一对应于多个滑道内并可沿滑道向上滑动。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.液体与气体混合的方法，其特征在于，将具有多个气流孔的类锥形混合器布置于通有气体的气体流道内，使得混合器的内部混合腔产生负压，且其中一部分气体流入混合腔内之后在混合腔表面形成气膜，将雾化液体喷入混合腔中与未形成气膜的气体完成气化混合。

2.如权利要求1所述的液体与气体混合的方法，其特征在于，所述混合器表面安装有多个旋流叶片，以使气体旋转进入混合腔内。

3.液体与气体混合的装置，其特征在于，包括：

混合器，其为类锥形结构且内部为中空的混合腔，所述混合器固定于气体流道内且混合器的开口朝向气体的流动方向，所述混合器上具有多个贯通的气流孔；

液体雾化喷嘴，其位于混合腔内。

4.如权利要求3所述的液体与气体混合的装置，其特征在于，所述混合器表面还设置有多个旋流叶片。

5.如权利要求3所述的液体与气体混合的装置，其特征在于，所述液体雾化喷嘴靠近混合器的锥顶位置。

6.如权利要求3所述的液体与气体混合的装置，其特征在于，所述混合器由整板拉伸、冲压、打孔制成。

7.如权利要求3所述的液体与气体混合的装置，其特征在于，所述混合器由多块板块连接而成或由多节锥形环连接而成。

8.如权利要求3所述的液体与气体混合的装置，其特征在于，所述混合器位于SCR催化剂的上游，所述气体流道内在混合器开口位置或下游设置有均配器。

9.如权利要求3所述的液体与气体混合的装置，其特征在于，所述液体雾化喷嘴通过喷管连通位于混合腔内，所述喷管外壁环形一圈设置有向内凹陷的多个卡合槽，所述气体流道上设置有恰好容纳喷管通过的开口，所述混合器在开口的正上方位置设置有喷管可通过的通孔，所述通孔的直径大于开口的直径，且所述通孔和开口之间设置有辅助机构，其包括：

密封块，其为环形且固定于气体流道内壁的开口处并恰好容纳喷管密封通过；

定位件，其为上下均开口的类锥形管，且上开口恰好与通孔一体成型连接、下开口向下向外延伸；

限位件，其为圆柱形管且竖直固定于气体流道内壁并位于密封件外侧，所述限位件上端凸出于所述定位件下开口上方且限位件的中心轴线与通孔和开口的中心轴线均重合；

环形板，其内壁环形一圈向内凹陷间隔设置至少三个凹槽，所述凹槽内设置有弹簧，弹簧外端连接有卡合块，所述卡合块为直角三棱柱形状，其水平设置配合于凹槽内使得斜边所在的侧面远离凹槽向上倾斜；

多块弧形板，其依次通过弹性带连接成一环形，所述环形板的外壁环形一圈间隔设置有多个弹性体，其与多块弧形板一一对应，所述弹性体的外端连接于所述弧形板的中部，多块弧形板形成的环形水平卡合于所述限位件内。

10.如权利要求9所述的液体与气体混合的装置，其特征在于，所述弹性体与所述弧形板连接方式为铰接，所述限位件内壁设置有多个竖直的滑道，多块弧形板一一对应于多个滑道内并可沿滑道向上滑动。